Luận án: Lựa chọn công nghệ khai thác vỉa than dày trung bình, dốc đứng tại Uông Bí

Tính cấp thiết của đề tài Trữ lượng các vỉa than dày trung bình, dốc đứng chiếm tỷ trọng không nhỏ trong tổng trữ lượng bể than Đông Bắc (Quảng Ninh), khoảng 5 ÷ 8%, trong đó tập trung ở vùng than Uông Bí với tổng trữ lượng khoảng 54,6 triệu tấn. Hàng năm, sản lượng khai thác từ đối tượng vỉa dày trung bình, dốc đứng chiếm khoảng 7 ÷ 8 tổng sản lượng than của Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (TKV) [4]. Hiện nay, để khai thác các vỉa than dày trung bình, dốc đứng, các mỏ hầm lò chủ yếu vẫn áp dụng các CNKT thủ công như các CNKT dạng buồng; CNKT lò dọc vỉa phân tầng. Các CNKT này có hiệu quả chưa cao, sản lượng và NSLĐ thấp, chi phí khai thác lớn và đặc biệt là tỷ lệ tổn thất cao (30 ÷ 40%) [15].

Những năm gần đây, một số mỏ vùng Uông Bí đã đưa vào áp dụng thử nghiệm các CNKT tiên tiến như: CNKT CGH đồng bộ sử dụng tổ hợp 2ANSH, HTKT lò chợ xiên chéo, chống giữ bằng giàn mềm loại ZRY, và đã bước đầu khẳng định tính ưu việt hơn hẳn các CNKT thủ công trong cùng điều kiện, qua đó mở ra triển vọng mở rộng áp dụng [4]. Tuy nhiên, quá trình đưa vào áp dụng chưa lâu, cần tiến hành theo dõi, đánh giá, nghiên cứu tối ưu hóa các thông số của HTKT nhằm nâng cao hơn nữa hiệu quả áp dụng công nghệ. Xuất phát từ từ thực tế nêu trên, cần thiết phải thực hiện “Nghiên cứu lựa chọn CNKT và tối ưu hóa các thông số của HTKT cho các vỉa dầy trung bình dốc đứng tại các mỏ than hầm lò khu vực Uông Bí - Quảng Ninh” nhằm nâng cao sản lượng khai thác, NSLĐ, mức độ an toàn lao động và giảm tổn thất trong khai thác các vỉa than dày trung bình, dốc đứng. Mục tiêu của đề tài Lựa chọn được CNKT hợp lý và tối ưu hóa các thông số của HTKT các vỉa dày trung bình dốc đứng tại các mỏ than hầm lò khu vực Uông Bí - Quảng 2 Ninh, nhằm nâng cao mức độ an toàn, sản lượng và NSLĐ trong khai thác than hầm lò.

Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài luận án là CNKT vỉa dày trung bình, dốc đứng.Phạm vi nghiên cứu là của đề tài các vỉa than dày trung bình, dốc đứng tại các mỏ than hầm lò khu vực Uông Bí - Quảng Ninh. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu điều kiện địa chất - kỹ thuật mỏ các vỉa than dày trung bình dốc đứng tại các mỏ than hầm lò khu vực Uông Bí - Quảng Ninh. - Phân tích, đánh giá, lựa chọn được CNKT phù hợp điều kiện các vỉa than dày trung bình, dốc đứng tại các mỏ than hầm lò khu vực Uông Bí - Quảng Ninh. - Nghiên cứu tối ưu hóa các thông số của HTKT cho các vỉa dày trung bình dốc đứng tại các mỏ than hầm lò khu vực Uông Bí.

Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng tổng hợp các phương pháp nghiên cứu sau: - Phương pháp tổng hợp, đánh gia tài liệu; - Phương pháp khảo sát, đánh giá điều kiện địa chất; - Phương pháp thống kê, phân tích, so sánh; - Phương pháp tính toán giải tích; - Phương pháp mô hình toán - kinh tế. Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài 6. Ý nghĩa khoa học của đề tài: Góp phần xây dựng điều kiện áp dụng một số loại hình CNKT vỉa dày trung bình, dốc đứng; Xây dựng được phương pháp luận, giải thuật bài toán tối ưu hóa các thông số “chiều cao tầng khai thác”, “chiều dài theo phương cột khai thác” trong CNKT lò chợ chợ xiên chéo, chống giữ bằng giàn mềm loại ZRY. Giá trị thực tiễn của đề tài: Đề xuất được các CNKT hợp lý cho điều kiện các vỉa than dày trung bình, dốc đứng vùng Uông Bí - Quảng Ninh; Tối ưu hóa các thông số HTKT giúp nâng cao hiệu quả áp dụng CNKT lò chợ chợ xiên chéo, chống giữ bằng giàn mềm loại ZRY trong điều kiện vỉa dày trung bình, dốc đứng tại các mỏ hầm lò vùng Uông Bí - Quảng Ninh.

Những điểm mới của luận án 7. Xây dựng được điều kiện áp dụng một số loại hình CNKT vỉa dày trung bình, dốc đứng. Xây dựng phương pháp tối ưu hóa các thông số của hệ thống khai thác các vỉa dày trung bình, dốc đứng. Thiết kế hệ thống khai thác lò chợ xiên chéo, chống giữ bằng giàn mềm ZRY cho vỉa 9b khu Tràng Khê, Công ty Than Hồng Thái với các thông số tối ưu.

Luận điểm khoa học 8. Đối với điều kiện các vỉa than dày trung bình dốc đứng vùng Uông Bí, trong thời điểm hiện nay, đề xuất lựa chọn CNKT hợp lý theo nguyên tắc ưu tiên áp dụng CNKT cột dài theo phương, gương lò chợ xiên chéo, chống giữ bằng giàn mềm loại ZRY; CNKT chia cột theo hướng dốc, CGH đồng bộ sử dụng tổ hợp 2ANSH. Trong CNKT lò chợ chợ xiên chéo, chống giữ bằng giàn mềm loại ZRY:Chiều cao tầng tối ưu tỷ lệ thuận với góc dốc vỉa than, chi phí đào, xén lò và tỷ lệ nghịch với chi phí thiết bị; Chiều dài theo phương cột khai thác tối ưu tỷ lệ thuận với góc dốc vỉa than, chi phí đào, xén lò; và tỷ lệ nghịch với chiều dày vỉa than, chi phí thiết bị. Trong điều kiện vỉa 9b khu Tràng Khê, Công ty than Hồng Thái, chiều cao tầng khai thác tối ưu khoảng Ht = 75 ÷ 80 m, chiều dài theo phương cột khai thác tối ưu khoảng Lp = 650 ÷ 700 m.

Cấu trúc của luận án Luận án gồm 4 chương, các phần Mở đầu và Kết luận kiến nghị, 126 trang, bao gồm 28 bảng biểu và 28 hình vẽ. Chương 1: Tổng quan về các hệ thống khai thác và công nghệ khai thác các vỉa than dày trung bình dốc đứng và công tác nghiên cứu tối ưu hóa các thông số của hệ thống khai thác. Chương 2: Nghiên cứu lựa chọn hệ thống khai thác và công nghệ khai thác hợp lý cho các vỉa than dày trung bình, dốc đứng vùng Uông Bí - Quảng Ninh. Chương 3: Tối ưu hoá các thông số của hệ thống khai thác lò chợ xiên chéo chống giữ bằng giàn mềm ZRY cho các vỉa than dày trung bình, dốc đứng Chương 4: Thiết kế hệ thống khai thác lò chợ xiên chéo, chống giữ bằng giàn mềm ZRY cho điều kiện vỉa 9b khu Tràng Khê, Công ty than Hồng Thái.

5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG KHAI THÁC VÀ CÔNG NGHỆ KHAI THÁC CÁC VỈA THAN DÀY TRUNG BÌNH DỐC ĐỨNG VÀ CÔNG TÁC NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ THỐNG KHAI THÁC 1. Tổng quan về HTKT các vỉa dày trung bình, dốc đứng trên thế giới Trong lịch sử phát triển ngành than thế giới, các vỉa than dày trung bình, dốc đứng luôn luôn là đối tượng có điều kiện khai thác khó khăn, phức tạp nhất, do các đặc điểm về chiều dày, góc dốc đều bất lợi để cho phép áp dụng các loại hình HTKT có mức độ cơ giới hóa cao, quy mô công suất lớn, giá thành rẻ. Tuy nhiên, trữ lượng các vỉa than dày trung bình, dốc đứng lại không hề ít. Có những bể than lớn trên thế giới mà trữ lượng các vỉa than trong điều kiện này chiếm tỷ lệ chủ yếu, như bể than Donbass (Ukraina), vùng than Quý Châu (Trung Quốc) [13].

Do đó, trên thế giới,CNKT các vỉa than dày trung bình, dốc đứng đã được nghiên cứu phát triển và hoàn thiện rất đa dạng về loại hình, khác nhau từ hệ thống chuẩn bị, phương pháp khấu gương, chống giữ gương lò chợ, điều khiển áp lực mỏ, vận tải, thông gió, v. Tổng quan và phân tích một số loại hình HTKT vỉa than dày trung bình, dốc đứng phổ biến trên thế giới như sau: 1.HTKT bằng giàn chống Nhằm khắc phục ảnh hưởng của góc dốc vỉa lớn, một trong những công nghệ khai thác vỉa than dốc đứng đã được nghiên cứu và thử nghiệm tại Liên Xô (cũ) từ những năm 1930, áp dụng rộng rãi tại Đông Âu và Trung Quốc từ những năm 1960, là HTKT bằng giàn chống(tiếng Nga: Щитовая система разработки) [27]. Theo HTKT này, tầng khai thác được chuẩn bị bằng các lò dọc vỉa thông gió và dọc vỉa vận tải đào từ xuyên vỉa trung tâm về phía biên giới khai 6 trường. Từ biên giới khai trường, đào các thượng thông gió - vận tải chia ruộng mỏ thành các cột khai thác theo hướng dốc.

Các thông số cơ bản của HTKT bằng giàn chống gồm:chiều rộng cột từ 20 40 m, chiều dài theo hướng dốc từ 100  140 m, chiều rộng trụ bảo vệ giữa các thượng cột từ 1,5 ÷ 3,5 m phụ thuộc chiều dày vỉa. Công tác khấu than được thực hiện bằng khoan nổ mìn theo hướng dốc vỉa, trong không gian dưới một hệ thống chống giữ đặc biệt - giàn chống cứng(phân mảng hoặc không phân mảng), là lớp che chắn cấu tạo từ các súc gỗ hoặc vì chống kim loại liên kết với nhau, bên trên trải các lớp gỗ phủ kín bề mặt để ngăn đất đá phá hỏa rơi xuống không gian làm việc của lò chợ (xem hình 1. a) Sơ đồ chuẩn bị b) Lò chợ Hình 1. HTKT bằng giàn chống Giàn chống cứng có kết cấu khá đa dạng, đơn giản và dễ chế tạo, được thiết kế phù hợp với từng điều kiện địa chất, đặc điểm thế nằm, góc dốc của vỉa than khai thác (xem hình 1.

Đối với các vỉa than mỏng đến dày trung bình thường áp dụng giàn vòm, giàn chữ “Г”, v. để tăng tiết diện không gian làm việc dưới giàn chống, kết cấu giàn thường nhẹ, gồm khung kim loại và 1  2 lớp gỗ và lưới thép che chắn. Đối với các vỉa than có chiều dày lớn hơn thường áp dụng loại giàn phẳng, dạng phân mảng hoặc không phân mảng, kết cấu gồm nhiều lớp để tăng độ kiên cố [24]. 7 a) Giàn phân mảng b) Giàn không phân mảng dạng phẳng c) Giàn chữ “Г” d) Giàn vòm e) Giàn vòm có đế trượt Hình 1.Cấu tạo một số loại giàn chống cứng Công nghệ khai thác sử dụng giàn chống cứng như trên có ưu điểm là cho năng suất cao, công tác tổ chức khai thác đơn giản do không cần thực hiện các công tác chống giữ gương và điều khiển đá vách, vận tải than từ lò chợ xuống mức vận tải bằng tự chảy.

Nhược điểm của sơ đồ công nghệ này là 8 khối lượng đào lò chuẩn bị lớn, đặc biệt là phải đào nhiều thượng tháo than trong một cột khai thác, tỷ lệ tổn thất còn cao (25 - 30%) do phải để lại trụ than bảo vệ giữa các cột khai thác.